土工离心模型试验大流量供水系统设计研究

当前的土工离心模型试验的几种供水方式存在流量小、不稳定、测不准、造价高等问题,针对这些问题,研发了一套离心机大流量供水及控制系统。系统主要包括：上层供水系统、下层储水和供水系统、排水系统以及流量量测控制系统。系统采用环形水箱作为二级储水、供水箱,利用离心机旋转产生的巨大离心力驱动水流向模型试验箱内供水,同时采用离心实验专用孔隙水压力传感器来辅助监测流量,通过计算机控制布置在重力场与低离心力侧的电控阀门来实现流量的分级控制。该系统当前管路在50g离心力场下持续供水最大流量可达8 L/s, 100g离心力场下理论最大供水流量可达100 L/s,结合不同的模型试验箱布置,系统可开展降雨、库水位变动导致的滑坡、溃坝、枢纽泄洪消能等需水离心模型试验研究。     

自循环水冷却冻融离心模型试验装置研制

冻融离心模型试验装置的研发在国内尚处于起步阶段。装置根据半导体单元材料的Peltier效应(帕尔贴效应)设计了安装于双层结构冻融模型箱的热交换系统,实现了离心场下的冻融温变模拟。针对离心机设备无外接冷却水的问题,采用在离心机转臂上设置了由水箱、水泵和风冷散热器组成的自循环水冷却系统,利用离心机旋转时转臂与周围空气速度差产生的高速气流带走自循环水的热量,实现了无外接水源情况下的冻融离心试验。冻融离心试验结果表明,该试验装置满足试验需求。     

一种新型平衡自调节系统在土工离心机上的应用

为了实现土工离心机运转以后的实时配平,减小离心机运转过程中的不平衡力,研制了一套平衡自调节系统。该系统构建了一套由电磁阀、传感器、PLC控制器组成的反馈控制系统,通过它向安装在配重端的水箱中受控注水,来实时调节工作端载荷变化引起的不平衡。将该系统应用到某土工离心机上,开展了离心机升速和负载增大工况下的自平衡调节试验,实现了离心机的实时配平。相对传统的液压缸或电机驱动配重块的平衡调节机构,该注水配平系统结构更简单、平衡调节范围更宽。     

基于液压系统的离心模拟试验大荷载施加方法研究

离心模拟试验是通过离心机的转动创造超重力场,使小比尺模型处于原型应力状态,从而模拟土工构筑物力学特性的一种研究手段。随着工程技术的不断发展和技术难度的逐渐提高,在超重力场中开展模拟实际工况中的特定动作,逐渐成为离心模拟试验中的一个热点问题,而如何在超重力场中实现大荷载力的施加是离心模型试验研究中的一个难点。为解决这一问题,中国水利水电科学研究院基于液压技术,开发了可在超重力场中模拟各种施工动作的试验系统,本文介绍了该系统的工作原理和主要特点,并结合试验案例,证明该系统的实用与可靠性。     

设计更为安全的大坝

美国工程师正在采用世界上最大功率的离心机来研究大坝出事原因,以设计出更加安全可靠的大坝。他们把大坝缩微模型放置在离心机那重达8万磅的吊臂旋转台上,使之受到的压力跟原形大坝一样大。美国科罗拉多大学的这台离心机由一个900马力的马达驱动,它以230英里/小时的速度转动,产生比正常重力大200倍的压力。通过离心机     

基于LXJ-4-450平台的土工离心模型试验研究

土工离心机是岩土工程领域最有效的物理模拟手段之一。近年来,随着现代液压、电控及测试技术的飞速发展,土工离心模型试验技术水平显著提升,应用领域也不断拓展。本文基于中国水利水电科学研究院的LXJ-4-450离心模拟试验平台,对新型机载设备及相应的试验成果进行总结,综述了近年来土工离心模型试验的研究进展。具体而言,研制了模拟污染物迁移的离心试验装置,探讨了污染物在土壤中的迁移机理;研制了离心模拟爆炸试验装置,验证了冲击波及气泡脉动在超重力场下的相似关系;研制了离心模拟溃坝试验系统,揭示了土坝漫顶破坏机理;此外,配置了世界首台水平、垂直双向离心机振动台,揭示了饱和砂土地基液化机理及地震动传播规律;开发了基于液压系统的离心模拟试验大荷载施加方法;最后,对中国水科院新建的大型土工离心机试验平台进行了介绍。     

国产离心机安装调试应注意的问题

1 了解设备的整体情况 掌握设备最基本情况，如离心机所采用的驱动方式：有的离心机采用的是双电机驱动；有的离心机采用的是单电机驱动转鼓产生转动，通过电磁涡流差速器产生速差；有的离心机则采用的是转鼓及螺旋分别由独立的液压系统驱动（或转鼓由变频电机直接驱动）。不同的驱动方式有各自的优缺点。作为使用方，要着重注意它缺点所可能带来的运行上的问题，做到在安装期间注重安装，调试期间针对其缺点做出各项针对性测试，以尽量避免存在的各种隐患。     

国内土工离心机及专用试验装置研制的新进展

近30年来,国内土工离心模拟试验技术的长足进步和丰硕成果,带动了土工离心机设备研制技术的不断改进和创新。性能先进,功能更加齐全的大容量土工离心机不断诞生,专用试验装置的研制也朝着多用途、高g值方向发展。我国土工离心机主机、振动台、爆炸与撞击、机械手系统的设计和建造技术已经进入国际先进行列。目前,国内土工离心机研制技术已经进入了新的阶段,巨型土工离心机的建设设想也将提到议事日程上来。在简要介绍土工离心机系统的基础上,就国内土工离心机及专用试验装置研制的新进展作了综合介绍。     

黏塑流变本构模型力学参数敏感性分析

在岩体流变数值模拟中,岩体本构模型力学参数成为计算结果准确性的一个关键因素。在前期研究的基础上,开展了黏塑流变本构模型的力学参数敏感性分析。以3个围压下整体参数辨识结果作为基准值,将此基准值中的每一个参数分别增加20％,40%和减少20％,40％,其他参数保持不变,先推导流变本构计算应变值,然后求得计算应变值与试验应变值的差值,根据该差值求得总误差相对变化量,以此总误差相对变化量来衡量因参数变动而使得计算应变值偏离试验应变值的趋势和程度。在参与敏感性分析的6个参数中,E的敏感性最高,m,β 2个参数分区段具有较高敏感性,γ,n 2个参数次之,参数g敏感性最差。通过6个参数敏感性分析,明确了该本构模型中力学参数对计算结果准确性的重要程度,从而为参数取值提供了参考。     

CKY-200型土工离心机主机电气系统研制

土工离心机是离心模型试验的重要设备,可为离心模型试验提供过载环境平台。论述了CKY-200型土工离心机主机电气系统的工作原理、基本配置及实现方法。电气系统由拖动系统、静态数采系统、摄影系统、摄像系统、动平衡系统等组成。拖动系统采用全数字直流调速方式,系统对外电网波动、负载变化和其它扰动能进行快速补偿;影响离心机运行安全的参数均进入启动联锁电路,其采用PLC控制,使得检测点与控制点集中,便于故障检测及维修,主控柜布线更加简洁;转速测量与控制采用了光电编码器,保证了转速的测量精度和系统的调节精度,其中“跟踪与保持”功能的设置,有利于离心机长时间运行;数据采集方面,测量传感器与采集模块之间采用多种方式对接,为使用者提供了灵活的接线方式;摄影系统采用定点高速闪光摄影方式。测试结果表明：该离心机的调速精度高;数据采集性能稳定、可靠;能够稳定可靠地拍摄离心模型的动态清晰、完整图像;能实时监测不平衡力,根据不平衡力大小可执行相应的控制策略;安全保护措施完善;48 h满载无故障可靠运行。     

土工鼓式离心机研发及在海底滑坡研究中的应用

为快速发展海洋土力学,大连理工大学于2009年引进了国内首台土工鼓式离心机GT450/1.4。通过与国际上同类产品的比较,详细介绍了鼓式离心机GT450/1.4的机械系统、控制系统、数据采集系统以及自主开发的配套设备PIV图像观测系统、黏土真空搅拌器、大型固结仪、撒样器的研发过程及工作原理。并以海底滑坡为研究对象,采用现场取样土,对深海滑坡进行探索性研究。离心模型试验结果表明:鼓式离心机GT450/1.4性能优良,功能全面,在机械设备规模、数据采集精度、控制系统自动化程度及作动器加载模式方面均优于国外同类产品,同时便于升级改造为“土工鼓-臂联合式离心机”。土工鼓式离心机对于研究海底滑坡等相关海洋工程领域课题具有一定的优越性。     

CSIEM-40-300大型振动离心机的设想与关键技术

动力离心模型试验为国际公认的土动力学和岩土地震工程研究最先进、最有效的物理模拟手段。目前美、日各拥有一台大型振动离心机,而我国大型振动离心机设备目前为空白,这与我国地震高发环境、经济高速建设和地质复杂条件极不相称,为此中国地震局工程力学研究所拟建设一台大型振动离心机（CSIEM-40-300）。概述了美、日2台大型振动离心机设备结构特点;介绍了CSIEM-40-300振动离心机设想和功能特色：具有高容量、高负载、宽频带、大位移等特点,其中振动容量40 gt,振动负载1300 kg;并分析了关键技术和难点：振动台是整个系统的研制核心,其关键技术和难点集中在作动器、动力源、导向支撑装置和控制系统设计。     

高水头条件下氯离子击穿高岭土衬垫的离心模型试验研究

利用400 g-t土工离心机模拟了高水头条件下氯离子在高岭土衬垫中的一维运移及击穿过程。在1g条件下采用高含水率的高岭土泥浆加压固结制备形成衬垫模型,离心模型试验离心加速度50g,历时3 h 52 min,成功模拟了高水头条件下氯离子击穿黏土衬垫的过程。试验结果表明：离心状态下模型在高渗透压力作用发生再固结,在约30 min固结过程中模型发生了非稳定渗流,对早期污染物运移过程具有一定的影响,导致该运移过程与Ogata(1961)提出的污染物一维对流-扩散解析解的求解条件有所差异。采用等效时间的方法对试验结果进行拟合,根据拟合的参数预测原型的击穿时间,发现渗透系数为3.2×10^-9m/s的2 m厚黏土衬垫在上覆10 m水头作用下的击穿时间仅为1.97 a,稳定渗漏率为0.604 m/a。     

某加筋土边坡离心模型试验相似材料研究

离心模型试验的准确性与可靠性取决于模型与原型的相似程度,选择合理的相似材料是离心模型试验的关键环节。以广州某垃圾填埋场挡坝加筋边坡的工程设计为背景,为合理开展离心模型试验,选取6种编织布进行分析。考虑强度相似原则和界面摩擦因素,基于窄条拉伸试验、直剪摩擦试验合理比选相似替代材料。按该边坡设计方案,模型边坡在离心场中能够保持稳定。边坡设计中应进一步参照数值分析和工程类比进行方案确定。如按强度相似进行材料选择,通过调整模型土层厚度,所选择的6种材料可对抗拉强度在13~360 kN/m的土工布进行模拟。     

长江科学院土工离心机的应用与发展

土工离心机是研究复杂岩土工程问题的大型专用设备,长江科学院（以下简称长科院）早在 20 世纪 80 年代建成了当时国内最大的总容量300g-t 、有效容量180g-t 的土工离心机,为我国离心机研制和离心模型试验技术的发展奠定了重要基础。简要总结了国内外土工离心机的发展历史,介绍了长科院第一代土工离心机的研制过程和意义,回顾了第一代离心机所开展的重要研究工作及所取得的成果;详细叙述了长科院第二代土工离心机的研制过程和性能。在此基础上,对近期完成的几个离心模型试验成果进行介绍,并通过多项试验研究验证了试验系统的可靠性。     

离心场中陡倾顺层岩质边坡振动试验关键技术研究

为解决离心场中陡倾顺层岩质边坡振动试验的关键技术问题,设计了陡倾顺层斜坡的离心振动台模型,通过试验探讨了试验仪器设备的关键技术参数、动力相似关系、相似材料比选以及传感器的安装布置等内容,并确定了地震波的加载方案。同时为了得到可靠的试验结果,分析了离心力场中的误差、传感器的安装与误差问题和边界效应问题,结合以往经验对误差方法进行比选,并提出了相应的减小误差的方法。研究结果表明离心振动台模型试验要进行合理的设计;离心力场中的系统误差可通过设计模型尺寸大小和选择模拟模型和原型应力保持一致的高度来减小;传感器测量误差可采用在传感器周围填充满砂土来减小;多层剪切层铝合金框架模型箱能够最大程度减小边界效应的影响。     

新型离心机串联模型试验方法及其初步应用研究

为解决以往离心机试验中将大型地质物理模型过渡缩尺时无法与离心加速度相匹配的问题,在综合分析以往离心试验技术的基础上,结合现有离心试验技术的不足,提出新型离心机串联模型试验技术。该技术通过两次量纲变换,即在模型设计阶段,原型地质体经过第一次量纲变换至常规模型试验尺度(m倍),然后经过第二次量纲变换换算至离心模型试验尺度(n倍),将模型缩小至原来的1/mn。第一次变换将模型进行较大尺度的缩减,因此第二次将其变换至离心试验尺度时将具有较大的灵活度,能够适应承载能力较小的离心机模拟高程较大的地质体的工作特征。此技术实现了将天然地质模型缩尺至离心机试验箱内,并结合弱化岩土力学强度的方法,从而解决大尺度地质结构模型模拟中存在的缩尺困难的问题。结合我国西南某水电站边坡开展了初步验证,结果表明,串联试验理论能较好地满足大型离心机模型试验的要求,可再现大型地质体变形破坏的整个过程,该技术较好地解决了蓄水过程中边坡的变形模拟问题。